Small Structures:碳点在细胞内检测方面的应用进展

细胞是生物体的基本结构和功能单位。细胞由各种亚细胞结构如细胞膜、细胞核、线粒体、溶酶体、内质网和高尔基体等组成。另外,细胞内大量的离子、小分子和高分子等广泛分布于各种亚细胞结构(细胞器)和胞浆中,对细胞的生理活动具有不同的重要作用。目前研究人员已经针对细胞开发了众多的染料探针分子,实现了细胞内各类亚细胞结构、离子和分子以及细胞生理指标等的检测。基于细胞的生化检测也是生命分析化学的重要前沿研究方向。然而,很多染料探针分子往往合成制备繁琐、成本高昂、且荧光稳定性不佳,这些在一定程度上制约了它们的广泛应用。发展纳米探针,尤其是粒径小、光稳定高、制备方向简便且具有优异检测性能的新型纳米探针,以实现细胞内生化指标的高质量检测成为了目前的研究热点。

另一方面,碳点是一种粒径小于20 nm(大部分碳点粒径小于10 nm)的新型碳纳米材料,其具有合成制备相对简单、光学性质优良且可调以及容易功能化修饰改造等优点,因而近十几年来已经在各个领域如生物医学、催化、环境、能源和光电器件等实现了很多成功的应用。在细胞检测方面,碳点由于其较小的粒径和优异的光学性能,能够精准地实现细胞器定位(如细胞核/核仁、线粒体、溶酶体、脂滴等),并在成像过程中荧光不易被漂白,因此实现了很多优异的细胞成像和检测方面的应用。基于此,东南大学吴富根课题组围绕碳点的胞内检测这一主题,系统综述了该方向的重要进展(图1)。

该综述首先介绍了碳点在细胞结构成像方面的应用,具体细胞结构包括细胞核/核仁、线粒体、溶酶体、内质网、脂滴和高尔基体。利用碳点实现对以上重要细胞结构的荧光成像有助于探知细胞的生理状态,并有助于开发基于碳点精准定位的诊疗一体化试剂。之后,论文介绍了碳点在检测胞内物质方面的进展,检测对象包括各种内源性生物大分子(如核酸、蛋白质)、氨基酸(如半胱氨酸、酪氨酸、组氨酸、赖氨酸、精氨酸)、维生素(如维生素C、维生素B2、维生素B9、维生素B12)、重要细胞代谢产物(如硫化氢、甲醛、葡萄糖、半胱胺、NAD+、ATP)、活性氧(如H2O2、O2•、ClO/HClO、•OH)、生物硫醇(如总生物硫醇、谷胱甘肽等)、离子(如Fe3+、Cu2+、Al3+、Zn2+、Hg2+、Ag+、Au3+、Pb2+、Cr3+、Cr6+、Ca2+、HPO42−、HSO3、S2O82−、S2−、ONOO)和外源性物质(如纳米颗粒、6-硫代鸟嘌呤、槲皮素、三硝基甲苯、刚果红)。最后,论文还介绍了碳点在检测细胞参数如pH、温度和线粒体膜电位等方面的进展。

在总结和展望部分,论文指出了碳点胞内检测的几个重要研究方向,包括:(1)开发基于碳点的可实现更加精准定量的胞内检测技术;(2)开发基于碳点的具有更高时间分辨率的实时可视化细胞检测技术;(3)发展可检测其他细胞器如质膜、中心体和过氧化物酶体以及其他分子/离子(如多糖、脂多糖、多肽、Mg2+等)的碳点探针;(4)进一步阐明碳点的荧光发射机制,以实现碳点探针的理性设计;(5)进一步从分子水平上阐明碳点结构和功能之间的关系,实现功能化碳点的合理设计和可控制备;(6)开发可规模化生产碳点的方法,以获得大量性质优异且成本可控的碳点探针;(7)制备具有双发射比率传感、更长波长、双光子吸收和激发不依赖的荧光发射性质的新型碳点,以实现准确、安全的胞内荧光成像和检测;(8)深入系统地探究碳点的体内药代动力学行为,以推进碳点探针的临床应用。

图1 论文的内容概要

论文信息:

Carbon Dots for Intracellular Sensing

Fengming Lin, Chenyang Jia, Fu-Gen Wu*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202200033

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202200033